面向矿山安全物联网的光纤传感器

0 引言

中国是煤炭生产和消耗大国，95% 以上的煤矿属于井工矿，煤炭生产条件极其复杂，存在瓦斯、火灾、水害、顶板坍塌、冲击地压等多种灾害。随着自动化程度的不断提升，煤矿机电设备的数量和功率越来越大，设备故障及其次生火灾等成为安全隐患。矿山安全物联网可将煤矿人、机、环因素影响安全生产的动态信息融合在大数据平台上，通过智能挖掘自动产生安全隐患管控信息，实现智能决策。采集矿山环境、设备、人员行为等信息的各类矿用传感器(如甲烷、一氧化碳、氧气等环境气体传感器，岩石应力、顶板位移、水仓水位、管道水压、设备温度、振动等物理量传感器)则为矿山安全物联网提供数据基础。而传统的电子传感技术存在精度低、可靠性差、维护工作量大等问题，且在采空区及矿山环境、设备监测等方面存在监测盲区。以煤矿安全监控系统为例，其采用的传统催化甲烷传感器易中毒，需要频繁标校，维护工作量大，且存在“跳大数”现象，导致系统误报；红外传感器可实现0～100%全量程测量，但测量精度易受湿度影响。基于近红外半导体激光光谱吸收原理的激光/光纤甲烷传感器利用激光频谱窄的特点，可消除水蒸气及其他干扰气体交叉干扰，具有较高的测量精度，适用于煤矿恶劣环境。此外，光纤分布式温度传感器在煤矿采空区自然发火监测及定位应用方面具有优势；光纤温度、振动传感器因其容量大、可实现远程监测，可对煤矿主要机电设备进行远程在线监测。本文针对矿山安全物联网不同监测场合的信息采集需求，介绍了矿用光纤传感器的工作原理及典型应用情况。

1 矿用光纤传感器

面向矿山安全物联网的矿用光纤传感器主要有激光光谱分析气体传感器、光纤光栅物理量传感器和光纤分布式传感器3类。以下将针对煤矿不同应用场景，介绍各类传感器的工作原理。

1.1 激光光谱分析气体传感器

1.1.1 激光/光纤甲烷传感器

甲烷传感器是煤矿安全监控系统最重要的传感器。传统的催化甲烷传感器采用1个惠斯通电桥来监测随甲烷浓度变化的电阻变化值，从而实现甲烷浓度检测。其测量范围通常为0～4%，随着使用时间增加会出现负偏差，需要定期(通常每2周)标校，维护工作量较大，且在低氧情况下无法工作，存在中毒现象。红外甲烷传感器采用宽带红外发光管，通过在光电探测器表面镀一层光学滤波器薄膜实现差动检测，进而实现甲烷监测。由于光学宽带光谱内易受水蒸气交叉干扰，其在高湿环境下的可靠性有待提高。激光/光纤甲烷传感器最初由B. Culshaw等[1-2]研发，用于监测垃圾掩埋场的甲烷，随后逐步应用于煤矿井下甲烷监测[3]。

在近红外波段，甲烷在1 650.96，1 653.72 nm等波长存在吸收峰。按照比尔定律，强度为I0(λ)(λ为激光波长)的激光在穿过长L、甲烷浓度为C的气室后，将产生吸收损耗，其光强变为

I(λ)=I0(λ)exp(-α(λ)CL)

(1)

式中α(λ)为甲烷的吸收系数。

甲烷气体具有可压缩性，其在空气中的密度会受到温度、压力等的影响，因此，在激光/光纤甲烷传感器中需要嵌入温度、压力传感器，实时监测气室内部的温度和压力，并进行在线补偿。典型的激光/光纤甲烷传感器组成如图1所示。激光分为信号光和参考光2路，经光电探测器转换为电压信号 V1，V2。通过检测半导体激光器注入电流对激光输出波长进行扫描。信号光通过对参考光进行归一化处理，消除系统性光谱背景干扰，通过分析直接吸收光谱数据完成甲烷浓度测定。

目前矿用激光/光纤甲烷传感器已实现产品化，典型技术指标：量程0～100%，精度±0.05%(气体浓度0～1.0%)，±5%真值(气体浓度1%～100%)。

图1 激光/光纤甲烷传感器组成
Fig.1 Composition of laser/optical fiber methane sensor

该种传感器检测过程简单，其检测灵敏度可采用二次谐波检测技术得到进一步提高，即对激光波长在吸收峰附近进行锯齿波扫描，吸收信号产生二次谐波，使用锁相检测实现窄带低噪声检测。典型的调制频率为10 kHz[1]。

1.1.2 矿用激光多气体传感器

煤矿采空区余煤在采空区进风且热量积聚时可能会自然发火，60%以上的煤矿存在自然发火隐患。在煤炭氧化燃烧的不同阶段，会产生 CO, CO2, C2H4，C2H2等标志性气体。监测这些气体的动态变化可实现采空区火灾隐患的早期预警。煤矿正常情况下不存在CO, C2H4, C2H2，因此对发火标志性气体的检测灵敏度需达到10-6级，超出了传统电子类传感器的检测灵敏度。在近红外波段，上述气体存在微弱的谐波吸收峰，可用来进行激光光谱分析。

为了实现10-6级检测灵敏度，根据气体检测灵敏度和吸收系数不同，气室光程可设计为数米或数十米，通常需要通过多次反射的光学气室实现。典型的多次反射式Harriet型激光多气体传感器气室如图2所示。

图2 多次反射式Harriet型激光多气体传感器气室
Fig.2 Gas cell of multi-reflection Harriet type laser multi-gas sensor

矿用激光多气体传感器原理如图3所示。对应CO，C2H2，C2H4，CO2近红外吸收波长的半导体激光器发出的光通过DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集型光波复用)系统后分为3路，一路作为光功率参考直接接收，一路通过参考气室连接到光电探测器，另一路作为信号光，经过一个10 m光程的探测气室连接到光电探测器。

采用信号光经光源归一化后的光谱标定吸收度及气体浓度。不同浓度CO，C2H2，C2H4的归一化吸收光谱如图4所示。

图3 矿用激光多气体传感器原理
Fig.3 Principle of mine-used laser multi-gas sensor

(a) CO

(b) C2H2

(c) C2H4

图4 不同浓度CO，C2H2，C2H4的归一化吸收光谱
Fig.4 Normalized absorption spectrum of CO，C2H2，C2H4 with different concentration

在N2环境下，CO, C2H2，C2H4的检测灵敏度分别为1×10-6, 0.1×10-6，0.1×10-6。当环境中存在高浓度CH4，CO2时，需要修正其对被测气体的交叉干扰影响。

1.2 矿用光纤光栅物理量传感器

煤矿安全监测系统需要监测岩石应力、顶板位移、水仓水位、管道水压、设备温度等物理量，可采用光纤光栅设计相应传感器[4-5]。光纤光栅通过激光微加工，在单模光纤纤芯内沿轴向对激光光波进行周期性折射率调制，使其发生永久性改变，如图5所示。光纤光栅的光谱相当于窄带反射镜，反射谱中心波长λb与光栅的折射率调制周期Λ和芯层折射率n1呈正比，即

λb=2n1Λ

(2)

图5 光纤光栅结构
Fig.5 Structure of fiber Bragg grating

n1和Λ均受温度和应力影响。在1 550 nm波段，光纤光栅的中心波长随温度和应变的变化率约为10 pm/℃和1 pm/με。因此，光纤光栅可被用于制作矿用温度、应变、位移、振动[6-7]、压力[8-9]、风速[10]等传感器。

对于光纤光栅的波长检测，早期多基于可调滤波器与宽带光源进行。对于高灵敏度检测，可采用长光程差光纤干涉仪。设计矿用光纤光栅物理量传感器时，可采用光通信DWDM系统中的可调激光器，其具有光功率密度大、扫描速率快、多通道同步监测、功耗低、可实现本安设计等特点，工作波段通常为光通信的C波段(典型值为1 525～1 565 nm)，检测灵敏度为1 pm，精度为±(3～5) pm，扫描范围为40 nm，对应于0.5 ℃检测精度，可同时监测16个通道。

对于高灵敏度光纤光栅动态测量，基于DFB(Distributed Feedback，分布式反馈)激光器输出波长伺服跟踪光纤光栅反射谱3 dB波长的检测技术可获得高灵敏度(0.01 pm)，适用于制作矿用加速度传感器和微震传感器[11-12]。

1.3 矿用光纤分布式温度传感器

基于拉曼散射原理的矿用光纤分布式温度传感器[13-15]在煤矿火灾监测方面有较多应用。光在光纤中传播时，由于光子与声子相互作用，光子将产生后向散射信号，包括1个波长较长的斯托克斯光和1个波长较短的反斯托克斯光。反斯托克斯光的强弱随环境温度变化而变化，因此可用来实现温度测量。测量时以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，二者的比值可消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素的影响。激光脉冲注入光纤后，采用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射仪)检测背向散射光信号，根据滞后时间与光纤长度的关系确定被测信号来源在光纤中的位置，从而达到定位目的。

矿用光纤分布式温度传感器通常由激光源、低噪声宽带光电探测器、光波分复用模块、信号处理模块、定标控温模块5个部分组成。其测温原理如图6所示。由于携带光纤温度信息的反斯托克斯光信号很微弱，采用双路微信号光电探测器(雪崩光电二极管)及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，采用DSP对转换后的电压进行数据采集，并计算出在任意点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号强度之比R，进而得出被测温度T：

(3)

式中：T0为传感器引入的一段温度定标参考光纤的温度；k为玻尔兹曼常数；h为普朗克常数；c为真空中的光速；v0为入射光频度。

图6 矿用光纤分布式温度传感器测温原理
Fig.6 Temperature measuring principle of mine-used distributed optical fiber temperature sensor

基于拉曼散射原理和多模光纤的矿用光纤分布式温度传感器典型技术指标：空间分辨率为1 m，空间定位精度为±3 m，测温精度为±1 ℃。

2 矿用光纤传感器在煤矿安全物联网中的典型应用

2.1 激光甲烷传感器在煤矿安全监控系统中的应用

激光甲烷传感器理论上无需标校，因此在煤矿安全监控系统中将逐步替代传统的催化甲烷传感器和红外甲烷传感器。另外，激光甲烷传感器具有耐潮湿特性，在瓦斯抽放的高湿环境中应用具有显著优势。激光甲烷传感器可如传统甲烷传感器一样作为带电传感器使用，也可以光纤无源检测方式进行多点在线监测，如可将1个激光器光源分配到14根光纤,实现14点并联监测[16]。激光甲烷传感器采集的现场典型数据如图7所示，其中2.0%测量值为给传感器通以2.0%甲烷标准气体检验时的响应值。实际运行中，激光甲烷传感器在某些煤矿已实现连续6 a无标校运行。

图7 激光甲烷传感器现场监测数据
Fig.7 Filed monitoring data of laser methane sensor

2.2 矿用光纤加速度传感器在矿山微震监测系统中的应用

随着煤矿和金属矿山开采逐年向深部拓展，矿山动力灾害日趋严重。矿山压力积聚可形成瞬间能量释放，造成煤与岩石迸出，形成采场动力灾害。在煤矿布设高灵敏度加速度传感器，监听岩石应力释放的震动波信号，并建立煤岩动力灾害演变信息数据库，对于矿山动力灾害监测预警具有重要意义。矿用光纤加速度传感器[11-12]可安装在5～7 m深的钻孔内部，采用岩浆封孔后，可使传感器与煤岩很好地进行声学耦合，如图8所示。

图8 矿用光纤加速度传感器及其在钻孔中的布置
Fig.8 Mine-used optical fiber acceleration sensor and its distribution in drilled hole

根据煤矿采场及采空区大小，基于矿用光纤加速度传感器的矿山微震监测系统通常包含16～64个传感器。系统监测到的典型现场微震数据如图9(a)所示。由此可计算出震源的主要特性，如释放的能量及震中位置等，如图9(b)所示。系统空间定位精度可达±10 m。

(a) 典型的微震监测波形

(b) 震源主要特性

图9 矿山微震监测系统监测数据及震源主要特性
Fig.9 Monitoring data of mine micro seismic monitoring system and main performance of seismic source

除了矿山微震监测外，矿用光纤加速度传感器还可对煤矿主要机电设备，如压风机、带式输送机、提升机、水泵、局部通风机等的温度、机械振动等进行监测，为有效进行设备故障诊断及预警提供数据基础。限于篇幅，本文不再赘述。

2.3 矿用光纤分布式温度传感器在采空区火灾监测预警中的应用

采空区发火是煤矿重大隐患之一，因供电不便，往往缺乏有效的监测预警手段。可将分布式测温光缆预先布设在采煤工作面巷道，随着开采进行，光缆将掩埋在采空区内部。布置于采区变电所的矿用光纤分布式温度传感器将监测数据通过光缆或工业以太网传输到地面监控中心，用于分析采空区热点温度、位置及其动态变化，从而实现火灾预警和定位。某煤矿采空区监测到的煤炭自燃热点温度如图10(a)所示，可看出温度在4 d内上升约110℃。地面监控中心对监测数据分析后发出预警，矿方根据预警信息进行了及时、精准的治理，避免了火灾事故的发生。隐患治理5 d后，该区域温度逐渐降至常温，如图10(b)所示。

(a) 隐患治理前

(b) 隐患治理后

图10 某煤矿采空区煤炭自燃热点温度监测数据
Fig.10 Temperature monitoring data of coal self-ignition in a coal mine goaf

3 结语

在过去十几年里，矿用激光/光纤甲烷传感器已得到广泛、深入的研究和开发，并已成功获得推广应用。其因无需标校、大量程、耐潮湿、抗交叉干扰等优点，日益得到行业认可，并逐步应用于甲烷便携式检测、多点无源监测、瓦斯抽放管道中甲烷监测等领域。矿用光纤分布式温度传感器在煤矿采空区发火监测预警方面显示了独特优势和广阔前景，矿用光纤多气体传感器、光纤微风速传感器等的逐步应用将进一步完善采空区发火监测预警系统。矿用光纤加速度传感器在矿山微震和设备故障监测等方面也获得了成功应用。在矿山安全物联网建设中，将矿用光纤传感器与电子无线传感器结合使用，构建煤矿人、机、环多维度、多参数、大容量监测系统，可逐步消除监测盲区，为矿山安全监控和智能决策提供有力的数据支撑。